高速公路改擴(kuò)建工程中拼寬橋梁的設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)分析

(1.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089； 2.大連理工大學(xué),遼寧 大連 116024)

0 引言

近些年，中國(guó)經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)，與日俱增的交通量也給當(dāng)前我國(guó)公路運(yùn)輸體系帶來了較大挑戰(zhàn)。目前，很多在役公路橋梁受設(shè)計(jì)理念滯后、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低及建筑材料老化等因素的影響，不僅其行車舒適性和安全性無法得到保證，而且橋梁的通行能力不足更是嚴(yán)重制約了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。

公路項(xiàng)目改擴(kuò)建施工中，工程重難點(diǎn)是橋梁拓寬，一般是通過加寬橋面或者新建橋梁的方式來實(shí)現(xiàn)加寬原橋面的目的。橋梁拓寬技術(shù)既可保證在施工中舊橋的正常使用，又可節(jié)省工程預(yù)算。但新橋基礎(chǔ)在運(yùn)營(yíng)過程中由于持續(xù)沉降產(chǎn)生的不均勻沉降差，會(huì)給新建拓寬橋的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響，尤其是對(duì)拓寬連接結(jié)構(gòu)的影響更為明顯。

本文圍繞山區(qū)公路橋梁拓寬技術(shù)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)，研究地基不均勻沉降引起的橋梁結(jié)構(gòu)力等響應(yīng)。通過調(diào)研，分析梳理影響橋梁上部結(jié)構(gòu)沉降應(yīng)力的各項(xiàng)影響因子，以模型實(shí)驗(yàn)的方式研究地基不均勻沉降作用下橋梁拼接結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，分析得到了各項(xiàng)參數(shù)對(duì)拓寬橋梁承受沉降荷載力學(xué)響應(yīng)的影響，相關(guān)結(jié)論可為今后橋梁拓寬設(shè)計(jì)提供參考。

1 拓寬橋梁橫向拼接

1.1 橫向連接方式

a.上下部結(jié)構(gòu)均不連接。

如果拓寬橋梁的上下部結(jié)構(gòu)均不與原橋相連，那么新舊橋結(jié)構(gòu)之間就互不影響，從而避免了因地基不均勻沉降產(chǎn)生的對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，拼接部位的施工難度也大大降低[2]。

b.上下部結(jié)構(gòu)均連接。

如果橋梁上下部結(jié)構(gòu)均連接，由于基礎(chǔ)沉降對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響均較大，橋梁拓寬工程對(duì)地基技術(shù)參數(shù)要求較高。同時(shí)，采用該連接方式時(shí)，對(duì)下部結(jié)構(gòu)的拼接需要使用植筋技術(shù)，工藝較為復(fù)雜且施工難度高。

c.上部結(jié)構(gòu)互連、下部結(jié)構(gòu)不連。

此方式原橋上部結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)不均勻沉降作用下依然可以保持其結(jié)構(gòu)的整體性。同時(shí)，也正是因?yàn)樵摌蛄旱南虏炕A(chǔ)并未連接，在施工工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，并且可利用拼接部分的變形來協(xié)調(diào)較小沉降值產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能力。

1.2 上部結(jié)構(gòu)拓寬

a.空心板梁橋。

該類橋梁主要包括預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土和鋼筋混凝土空心板梁橋兩類，常用跨徑包含10、16、20 m 3種，橋梁截面通常類似于原橋。拓寬時(shí)，應(yīng)先對(duì)橋梁的邊梁翼板進(jìn)行切除，然后再利用植筋技術(shù)進(jìn)行新舊橋結(jié)構(gòu)的拼接，按照鉸接形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。如端部設(shè)置有橫隔梁，結(jié)構(gòu)計(jì)算型式就應(yīng)該為剛接。

b.T梁橋。

T梁橋因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在運(yùn)營(yíng)期間易受到周圍環(huán)境的腐蝕，尤其是邊梁。因此，T梁橋拓寬時(shí)，可以考慮把邊梁翼板切除后，與新橋T梁的肋板進(jìn)行拼接，詳見圖1所示。

與拓寬前對(duì)比，原橋的邊梁受力狀態(tài)產(chǎn)生了較大變化。當(dāng)拓寬T梁橋時(shí)，除了在拼接部位兩端加設(shè)橫隔梁，還可在中間特定位置增加橫隔梁。比如，為了加強(qiáng)拓寬橋與原橋之間的橫向聯(lián)系，一般在拓寬部分1/4跨徑及跨中位置設(shè)置橫隔梁[3]。

圖1 上部結(jié)構(gòu)拼接示意圖(單位：mm)Figure 1 Schematic diagram of superstructure splicing(Unit:mm)

c.不同梁截面連接。

橋廊拓寬時(shí)，如果選用剛度較大的拓寬橋截面就可以大大增加新橋的整體剛度，以此來降低原橋所承擔(dān)的荷載。如圖2所示，在T梁(原橋)+空心板梁(拓寬橋)截面組合中，所用空心板梁截面的橫向剛度較大，通過用鋼板將橫隔梁進(jìn)行錨固連接以后，新橋結(jié)構(gòu)的整體橫向剛度將大大提高，橋梁的承載能力也隨之提升。

圖2 T梁和空心板拼接橫斷面Figure 2 T-beam and hollow slab splicing cross section

2 不均勻沉降下拓寬橋梁拼接結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

2.1 影響基礎(chǔ)沉降對(duì)上部結(jié)構(gòu)作用的因素

a.沉降模式。

經(jīng)長(zhǎng)期服役后，原橋基礎(chǔ)沉降基本穩(wěn)定。但對(duì)新拓寬橋梁而言，基礎(chǔ)沉降較大，新舊橋梁之間產(chǎn)生的較大沉降差往往給新橋結(jié)構(gòu)造成較大影響。本文假定原橋基礎(chǔ)沉降為0，考慮受原橋約束影響，新橋基礎(chǔ)中，越靠近原橋產(chǎn)生基礎(chǔ)沉降越小，反之則越大?；A(chǔ)的沉降模式設(shè)置為線性，按照位置的不同進(jìn)行線性分布[4-5]。

b.影響因素。

拓寬橋基礎(chǔ)在上述線性沉降模式下，拼接部位上緣結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力隨沉降差的增大逐漸增加。為避免拼接部位上緣產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫，應(yīng)當(dāng)滿足σ≤[σ]，即[6]：

Eε≤[σ]

(1)

按照力學(xué)基本原理：

dθ=Δ/B

(2)

ε=x/ρ

(3)

b=ρdθ

(4)

又：

(5)

(6)

所以：

(7)

而：

(8)

進(jìn)而可推算得到：

(9)

式中：σ表示代表當(dāng)不均勻沉降為Δ時(shí)的拼接結(jié)構(gòu)上緣的橫橋向拉應(yīng)力大小；[σ]表示拼接部位混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；ε表示當(dāng)不均勻沉降為Δ時(shí)的拼接結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)變大?。籈表示拼接部分混凝土的橫橋向彈性模量大??；Δ表示橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降值大小；θ表示當(dāng)不均勻沉降為Δ拼接部分的轉(zhuǎn)角值；x表示拼接部分截面中性軸至上緣的距離；B表示拓寬部位的寬度大??；b表示橋梁拼接結(jié)構(gòu)的寬度；h表示拼接部分高度；h0表示拼接結(jié)構(gòu)截面有效高度；αES表示混凝土結(jié)構(gòu)的截面換算系數(shù)；ρ表示拼接結(jié)構(gòu)的截面配筋率。

2.2 計(jì)算數(shù)值模型

a.橋梁類型。

選用跨徑同樣為20 m的簡(jiǎn)支空心板橋和簡(jiǎn)支T梁橋兩種較為常見的橋型進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析。使用FEA軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)部分析，結(jié)構(gòu)單元選用8節(jié)點(diǎn)單元。鋼筋模擬則通過將剛度添加到母單元中來實(shí)現(xiàn)。模型中均為線彈性材料，不考慮材料非線性[7]。

b.計(jì)算荷載。

① 恒載。

新舊橋梁主要受力構(gòu)件自重為恒載，防撞欄、橋面鋪裝自重為二期恒載。

② 位移荷載。

為避免拼接結(jié)構(gòu)開裂，應(yīng)始終保持梁體變形處于彈性范圍。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的沉降值應(yīng)小于拓寬橋的允許沉降值，將拓寬橋的沉降值設(shè)定為5 mm。

③ 溫度荷載。

按照規(guī)范中規(guī)定的溫度梯度來控制局部溫差。文中結(jié)構(gòu)體系為簡(jiǎn)支梁，結(jié)構(gòu)自身的溫度變化不產(chǎn)生內(nèi)力，因此不考慮體系溫差的影響。

c.幾何尺寸。

① 簡(jiǎn)支空心板+簡(jiǎn)支空心板

基本模型的相關(guān)參數(shù)見表1。原橋?yàn)榭鐝?0 m的簡(jiǎn)支空心板橋，橋?qū)? m，由8片空心板梁組成，選用上部連接但下部不連接的方式進(jìn)行拓寬。

拓寬時(shí)，拓寬橋采用和原橋相同的空心板，通過切除邊梁翼板后植入鋼筋的方式進(jìn)行拓寬施工，在端部加設(shè)50 cm寬的橫隔梁[8]。新橋模型網(wǎng)格如圖3所示。

表1 簡(jiǎn)支空心板橋拓寬模型基本參數(shù)Table1 Basicparametersofwideningmodelofsimplysuppor-tedhollowslabbridge截面配筋ρ0不均勻沉降值Δ0拓寬寬度B0拼接部分寬度b0d14@25cm5mm4m0.2m0.246%定值

圖3 空心板橋拓寬模型網(wǎng)格Figurev 3 Widening model mesh of hollow slab bridge

②簡(jiǎn)支T梁+簡(jiǎn)支T梁。

原橋主梁為簡(jiǎn)支T梁，跨徑20 m，橋面寬8.6 m，包含6片T梁，拓寬方式選用上部相連但下部不相連的方式。拓寬時(shí)使用相同T梁，切除原橋邊梁翼板后植入鋼筋，在端部和中部分別增加30 cm寬的橫隔梁，間距設(shè)置為4.8 m，拓寬橋梁的模型參數(shù)見表2，模型網(wǎng)格如圖4所示[9]。

表2 簡(jiǎn)支T梁橋拓寬模型參數(shù)Table2 Wideningmodelparametersofsimplysupportedt-beambridge截面配筋ρ0不均勻沉降值Δ0拓寬寬度B0拼接部分寬度b0d14@25cm5mm4.1m0.2m0.251%定值

圖4 T梁橋拓寬模型網(wǎng)格Figure 4 Widening model mesh of t-beam bridge

2.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

a.截面配筋。

如圖5所示，不同配筋率下的拓寬橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果呈現(xiàn)相似的規(guī)律?？梢钥闯觯孛媾浣盥蕦?duì)兩種橋型拼接結(jié)構(gòu)的上緣拉應(yīng)力都產(chǎn)生了影響且規(guī)律具有一致性。當(dāng)截面配筋率增加時(shí)，拼接結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力會(huì)隨之降低。但不同的是，對(duì)空心板橋而言，配筋率對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響和截面所處的位置有關(guān)，支座位置應(yīng)力值的取值可達(dá)到跨中位置的4倍，并隨著截面由支座到跨中移動(dòng)，應(yīng)力值逐漸減小。但在T梁橋拓寬中，這種拉應(yīng)力取值與截面位置關(guān)系不大，支座位置的應(yīng)力值僅為跨中位置的1.3倍。

(a)空心板橋應(yīng)力值

(b)T梁橋應(yīng)力值圖5 不同橋梁拓寬拼接部分在不同配筋情況下的應(yīng)力值

Figure 5 Stress values of different bridges in different reinforced joints

一方面，拼接結(jié)構(gòu)截面的中性軸會(huì)隨著截面配筋率的增加而逐漸上移。簡(jiǎn)支梁橋拓寬實(shí)驗(yàn)中，支座對(duì)梁體豎向位移約束程度由支座向跨中位置逐漸減弱，這將有利于拓寬橋主梁通過變形協(xié)調(diào)來降低不均勻沉降對(duì)其上部結(jié)構(gòu)的影響[10-11]。另一方面，設(shè)置的橫隔梁增加了拓寬橋的橫向剛度，也因此產(chǎn)生了更大的上緣拉應(yīng)力。因此，在空心板橋的拓寬實(shí)驗(yàn)中，支座和跨中兩個(gè)位置的應(yīng)力值相差較大。同時(shí)，從T梁橋拓寬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，由于橫隔梁的影響，造成的拼接結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力并未隨位置不同而產(chǎn)生較大變化。

b.拓寬寬度。

不同拓寬寬度作用下的橋梁拼接結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力取值如圖6所示。可以看出，在T梁橋和空心板橋拓寬實(shí)驗(yàn)中，拓寬寬度對(duì)拼接結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響具有較大相似性。也即是說，當(dāng)拓寬寬度增大時(shí)，拼接結(jié)構(gòu)的上緣拉應(yīng)力將減小。

(a)空心板橋應(yīng)力值

(b)T梁橋應(yīng)力值圖6 不同橋梁拓寬拼接部分在不同拓寬寬度下的應(yīng)力值

Figure 6 Stress values of different bridge width joints at different widths

與此同時(shí)，在同樣沉降作用下，隨著拓寬寬度遞增，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角位移也逐漸減小，上緣拉應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)減小。

c.拼接部分寬度。

拼接寬度給新橋結(jié)構(gòu)造成拉應(yīng)力取值見圖7?？煽闯?，當(dāng)拼接寬度增加時(shí)，拼接部位結(jié)構(gòu)上緣拉應(yīng)力取值將減小。但是，拼接寬度的變化對(duì)T梁橋和空心板橋拼接部位上緣拉應(yīng)力的影響有明顯不同。這種不同會(huì)隨著截面位置不同而發(fā)生變化。具體而言，拼接寬度對(duì)兩種截面橋梁拼接部位上緣拉應(yīng)力的影響由支座向跨中位置逐漸減小。在空心板橋拓寬中，支座部位的應(yīng)力變化值為跨中部位的4.7倍。而T梁橋?qū)嶒?yàn)中僅僅為1.7倍。顯然，拼接寬度對(duì)不同類型拓寬橋梁拼接部位上緣拉應(yīng)力的影響較為明顯。

(a)空心板橋應(yīng)力值

(b)T梁橋應(yīng)力值圖7 不同橋梁拼接結(jié)構(gòu)在不同拼接部分寬度下的應(yīng)力值

Figure 7 Stress value of different bridge stitching structures under different width of stitching parts

由于橋梁曲率1/ρ直接受到拼接部分寬度的影響，所以加大拼接部分寬度會(huì)直接導(dǎo)致橋梁曲率增加，相應(yīng)地會(huì)產(chǎn)生更小的拉應(yīng)力值。此外，因?yàn)榱航Y(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定撓度，這會(huì)直接減弱拼接部分寬度對(duì)新橋結(jié)構(gòu)橫橋向拉應(yīng)力的大小。因此，拼接部分寬度對(duì)T梁橋和空心板橋不同位置拉應(yīng)力值的影響會(huì)產(chǎn)生較明顯的不同[12-13]。

3 結(jié)論

通過有限元分析，重點(diǎn)研究了山區(qū)公路橋梁拓寬過程中截面配筋、拓寬寬度和拼接部分寬度等3個(gè)因素對(duì)拓寬部位結(jié)構(gòu)受力造成的影響，相關(guān)結(jié)果如下：

a.拼接部分寬度和截面配筋率增加時(shí)，拼接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的上緣拉應(yīng)力會(huì)降低?？招陌鍢蚴┕r(shí)，這兩個(gè)因素對(duì)拉應(yīng)力的影響程度隨位置的不同而不同，影響程度由跨中向兩端呈逐漸增大態(tài)勢(shì)。

b.結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，選定的橋梁基礎(chǔ)沉降值為5 mm。在5 mm沉降作用下，拼接結(jié)構(gòu)上緣產(chǎn)生的橫橋向拉應(yīng)力值均未超過混凝土材料的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，對(duì)20 m跨徑的簡(jiǎn)支空心板橋和20 m跨徑的T梁橋而言，不均勻沉降值不超過5 mm時(shí)，均能保證其正常使用。